含气泡液体中线性和非线性声传播问题的研究

论文摘要

含气泡液体中声传播问题是声空化领域的一个重要课题,是很多超声应用的理论基础。本文采用有效介质理论和微扰法对含气泡液体中声波的传播特性进行了研究,并在此基础上建立了一个理论模型。运用这个模型分析了在含单一种类气泡的液体中线性声波和二阶谐波的传播特性及在含多种混合气泡的液体中线性声波传播特性,以期对液体中声场的变化规律进行探索。本文从含气泡液体中声传播角度出发,主要做了以下工作:（1）考察了声波在不含气泡的黏性液体中传播的特性。首先,以三个基本的物理定律为基础,利用微扰法得到线性声波和二阶谐波的波动方程和有效波数;然后,对二阶谐波的振幅与液体黏性和非线性参量之间的关系进行数值模拟。最终发现液体的黏性和非线性参量对声波的非线性效应产生影响,且黏性系数或者非线性参量越大,声波的非线性效应越强;同时,液体的黏性对声波的衰减系数产生影响,表现为黏性系数越大,声波衰减的越快。（2）分析了液体中单气泡在声波作用下的振动。首先,通过Rayleigh-Plesset方程和Keller方程的模拟结果的对比,发现在可压缩液体中,液体的压缩性抑制了气泡的共振,使得在可压缩液体中气泡振动的共振峰值和共振区域的半宽度小于不可压缩液体中峰值和半宽度;然后,利用微扰法对Keller振动方程进行线性化分析,得到了气泡的线性振动方程,结果显示了在共振区域气泡振动的非线性效应非常强,此时不能用线性化分析气泡振动,但是在非共振区域可以用线性化分析气泡振动。（3）对含单一种类气泡的液体中声传播问题进行了研究。首先,利用有效介质理论对声波的波动方程进行分析,并引入液体中气体体积分数将气泡振动方程和波动方程联系起来,从而得到了线性声波和二阶谐波的有效波数;其次,利用数值模拟探究线性声波的衰减系数与液体黏性系数和液体中气泡振动之间的关系,发现液体黏性和气泡对声波的作用相互促进,并且振动气泡对声波衰减系数的影响主要是通过气泡振动和气泡之间相互作用产生的;最后,考察了二阶谐波振幅与气体体积分数、液体黏性系数和非线性参量之间的关系,结果表明在声源近场区域影响二阶谐波的主要因素是气体体积分数和非线性参量,而在声源远场区域影响二阶谐波的主要因素是液体的黏性。（4）对含多种混合气泡的液体中声传播问题进行了研究。首先,分析了当液体中含有多种混合气泡时,气泡的种类和分布与气体体积分数之间的关系,并得到了气体体积分数的表达式;其次,利用有效介质理论得到了含多种混合气泡的液体中线性声波的波动方程和有效波数表达式;最后,运用数值模拟分析了气泡种类数和气泡的分布对声波衰减系数和声速的影响,结果表明当液体中存在两种或两种以上混合气泡时,会出现声波共振传播被抑制的现象,且随着气泡种类数的增大,这种抑制效应越强,声波的共振吸收区越稳定。在本文中,通过有效介质理论和微扰法对含气泡液体中声传播问题进行了研究,考察了含单一种类气泡液体中声波的二阶谐波和含多种气泡混合的液体中线性声波的波动方程和有效波数,并分析了液体黏性、气泡大小及分布和非线性参量对声波传播的影响。这些研究成果是对声空化领域知识的重要补充,有望对液体中声场的研究提供有益的指导和参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 超声空化及气泡动力学问题的研究
•     1.2.1 超声空化效应
•     1.2.2 气泡动力学问题的研究
•   1.3 声波在含气泡液体中传播的研究
•   1.4 本文的研究工作
• 第2章 黏性液体中声传播及气泡动力学理论
•   2.1 黏性液体中声波的非线性传播
•     2.1.1 黏性液体中声传播的三个基本定律
•     2.1.2 微扰法求解波动方程
•     2.1.3 黏性液体中声波的非线性传播特性
•   2.2 气泡动力学理论
•     2.2.1 可压缩液体中气泡振动方程
•     2.2.2 气泡振动方程的线性化分析
•   2.3 小结
• 第3章 含单一种类气泡的液体中的声传播
•   3.1 含单一种类气泡的液体中声波的有效介质理论
•     3.1.1 含气泡液体中声传播的三个基本定律及气泡振动方程
•     3.1.2 含单一种类气泡的液体中声波的波动方程
•   3.2 含单一种类气泡的液体中声波的线性传播特性
•     3.2.1 线性声波方程的解析解
•     3.2.2 声波传播过程中的衰减系数
•     3.2.3 声波传播过程中的共振效果
•   3.3 含单一种类气泡的液体中声波的非线性传播特性
•     3.3.1 非线性声波方程的解析解
•     3.3.2 液体中二阶谐波的振幅
•   3.4 小结
• 第4章 含混合气泡的液体中的声传播
•   4.1 含混合气泡的液体中声波的有效介质理论
•     4.1.1 含混合气泡的液体中气泡体积分数
•     4.1.2 声波的线性波动方程及其解析解
•   4.2 含两种混合气泡的液体中声波的传播
•     4.2.1 传播过程中的衰减系数
•     4.2.2 传播过程中的共振现象
•   4.3 含多种混合气泡的液体中声波的传播
•   4.4 小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张迪

导师: 陈时

关键词: 共振,二阶谐波,非线性参量,混合气泡,抑制效应

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 陕西师范大学

分类号: O42

DOI: 10.27292/d.cnki.gsxfu.2019.000826

总页数: 59

文件大小: 3142K

下载量: 21